在制备过程中热障涂层系统应力场有限元分析

采用有限元软件ABAQUS建立了非齐边三层平板结构热障涂层模型,并模拟了在制备过程中其残余应力的分布情况,主要讨论了沉积温度、陶瓷层厚度对其残余应力场分布的影响.计算表明：沉积温度越高,陶瓷层厚度越厚,容易造成陶瓷层端部应力分布不均匀区域变大,同时对基底应力场不均匀分布影响区域也越深;在不同的陶瓷层厚度和沉积温度条件下,陶瓷层和过渡层均处于压应力状态,其数值分别在-50 ~ -300 MPa和-30~-140 MPa范围内,而基底则处于拉应力状态,其值变化在5 ~ 55 MPa范围内;陶瓷层与过度层界面剪切残余应力呈双曲正弦分布,且在界面中间剪切残余应力的值接近于零.这些模拟结果将进一步完善解析解所预测的残余应力场分布情况,为后期采用拉伸法研究热障涂层系统界面结合性能时提供重要的应力分析基础.     

在制备热障涂层过程中系统内残余应力场预测

在热障涂层系统制备工艺冷却过程中，各层材料参数不匹配（如弹性模量、泊松比、热膨胀系数、热传导参数等）将导致其体内各层材料冷却速率不一样，同时在各层界面上热障涂层系统为了保持应变协凋和位移连续，最终在冷却后热障涂层系统各层内均存在热残余应力．通过建立相应的理沦模型得到了热障涂层系统各层热残余应力的解析解表达式．通过计算分析，得到了冷却方式和陶瓷喷涂厚度对各层残余应力的影响．最终希望得到一组最优化工艺参数来指导热障涂层制备工艺和生产．     

热循环下热障涂层中的残余应力场预测

建立了适应于热循环中热应力场的理论模型。分析了热障涂层内的热应力分布场。并计算出一个循环后热障涂层内的残余应力分布。由此可推算经过N次循环后热障涂层中总残余应力值。以达到预测热障涂层寿命的目的。     

CMAS对钇稳定氧化锆热障涂层的微观结构变化及元素损失影响

钙镁铝硅酸盐(CMAS)对TBCs材料的耐久性能有很大的影响,因此CMAS的腐蚀越来越受到人们的关注.该文研究了空气等离子喷涂(APS) 7%Y_2O_3稳定ZrO_2(7YSZ)热障涂层(TBCs)在CMAS腐蚀下的微观结构变化,并且定量分析了在CMAS腐蚀情况下Y元素损失对涂层性能的影响.CMAS腐蚀涂层的显微形貌表明,CMAS在YSZ中的渗透深度随温度的升高而增大,孔隙率随温度的升高而减小.拉曼光谱仪的实验结果表明,CMAS腐蚀后的YSZ可以发生四方(t)相到单斜(m)相转变,X射线衍射测量也证实了这一点.电子探针微观分析结果表明,腐蚀后YSZ中的Y含量降低并转移到CMAS中.此外,研究还表明了CMAS中Y含量在不同加热温度和加热次数下的平均浓度变化.     

热障涂层损伤机理的热力化耦合理论与表征方法

热障涂层(TBCs)是提高发动机服役温度最切实可行的办法，航空发动机推重比、可靠性、热效率的任何一点进步都将依赖于热障涂层技术的发展.剥落失效是制约国际热障涂层发展与应用的重要瓶颈，这一瓶颈在我国尤为突出，但目前人们对热障涂层剥落失效的热力化耦合本质机制理解还很不透彻，缺乏合适的理论模型与分析方法来分析和控制涂层的过早剥落.针对“剥落失效”制约TBCs发展与应用的瓶颈问题提炼出热障涂层损伤机理的热力化耦合理论与实验方法的关键科学问题.基于该科学问题进行了详细的评述，包括建立TBCs破坏机制分析的热力化耦合理论模型，发展考虑实际几何形状、真实微观结构、复杂服役环境与热力化耦合理论模型的有限元模拟方法，结合TBCs热力化耦合破坏实验的研究，分析TBCs高温氧化、CMAS腐蚀、冲蚀，以及三者共同作用的热力化耦合破坏机理，提炼出影响TBCs剥落失效的关键因素.在此基础上，发展TBCs关键性能的表征方法，并建立关键因素与TBCs材料、工艺之间的关联，指导TBCs的优化设计与安全应用.最后提出了未来的重点研究方向.     

涡轮叶片热障涂层隔热性能和应力数值模拟

提高涡轮发动机进口温度是提升航空发动机推重比和热效率的主要手段,但当今先进航空发动机的进口温度已经远远超过了现有涡轮叶片材料的极限温度,发展冷却技术和热障涂层技术成为解决这一问题的关键.在热失配应力下热障涂层界面易出现裂纹的萌生和扩展,会直接导致热障涂层的失效,进而威胁到整个发动机的性能,因此,模拟热障涂层真实服役环境下的温度场和应力场分布,对于预测热障涂层的隔热效率和剥落位置极其重要.该文基于流固耦合的方法,运用商业软件ANASYS CFX模拟了带TBCs的三维涡轮叶片的温度场,并进一步计算了热障涂层的热应力.结果发现热障涂层在叶片前缘和压力面区域有更好的隔热性能,热障涂层在叶根和气膜孔处有更大的应力,是热障涂层剥落的危险区域.     

气膜孔防堵塞方法研究

燃气轮机高温部件的气膜冷却是保障发动机安全运行的重要途径.在等离子喷涂过程中，涂层沉积会堵塞气膜孔，降低冷却效果.气膜孔的边缘是涂层应力最集中的地方，也是涂层脱落的发源地.金属黏结层材料NiCrAlY熔点低、延展性好，首先在孔边缘沉积，向孔中心收缩，形成喉部，是堵孔的主要来源；陶瓷涂层材料YSZ熔点高、延展性差，对堵孔的贡献相对较小.为了降低涂层沉积对气膜孔的堵塞作用，该文研究了3种方法：（1） 向气膜孔内部注入防粘胶，涂层制备结束后再将防粘胶清理出来；（2） 在制备涂层的过程中，从基体背部向气膜孔内通入压缩空气，阻止涂层在气膜孔边缘沉积；（3） 制备涂层后，用机械通孔的方法清理气膜孔边缘的涂层.这3种方法都能有效地降低涂层对气膜孔的堵孔率，但对涂层热循环寿命的影响有明显差异.气膜孔内通入适当流量的冷却气，有效降低了涂层在气膜孔边缘的沉积，提高了涂层的热循环寿命.机械通孔的方法使气膜孔边缘的涂层产生裂纹，涂层的热循环寿命明显降低.     

电沉积镍涂层中的残余应力及激光热冲击的影响

着重研究了电沉积镍涂层中的残余应力，首先介绍了用X射线衍射法(XRD)测量残余应力的基本原理，研究并得出了电镀工艺参数如厚度、电流密度等对残余应力的影响，并用XRD和扫描电镜对其微观结构进行了分析观察，分析了残余应力的形成机制，为了改善电沉积镍涂层的力学性能，采用激光热冲击的方法对镍涂层进行了表面处理，结果发现，经过激光束热冲击之后，涂层中的残余应力由处理前的拉应力变为压应力，而且随激光参数，如扫描速度与光斑直径、激光能量密度的变化而变化。     

基于ANSYS模拟不同参数对Q235钢板焊接残余应力的影响

利用大型有限元分析软件ANSYS对薄板Q235焊接残余应力进行数值模拟,得到了与焊缝垂直平分线上Q235样板的焊后残余应力。分析了焊接速度、焊接电流和电压等工艺参数对焊接残余应力的影响规律。结果表明:焊接电流和电压较大时,焊缝处的纵向残余压应力较大,近焊缝处的纵向残余拉应力也相应较大;焊接速度越小,焊缝处的纵向残余压应力越大,近焊缝处的残余拉应力越大。     

热喷涂3D打印制备孤立纳米YSZ厚热障 涂层的内应力演化特性的模拟计算研究

孤立厚涂层通常被用来测试涂层的热物理性能，如热膨胀系数、热扩散系数、比热容等.不同形状的孤立厚陶瓷涂层通常通过在不同形状的石墨模具上采用等离子体喷涂增材制造的方法制备.采用有限元“生死单元”模拟技术对3D打印增材制造过程中的纳米结构YSZ热障涂层的残余应力进行了有限元模拟.考虑了方形、圆柱形、六棱柱及星柱形四种结构的石墨模具，系统计算并比较了四种石墨模具制备的厚涂层的应力分布特征.研究结果表明：在厚涂层的侧面存在较大的压应力集中，最大压应力往往分布在柱的边角或边缘处.对于热喷涂3D打印圆柱状厚涂层，压应力连续分布在厚涂层侧面的环形面上.对于四种类型的厚涂层，热喷涂3D打印圆柱状厚涂层在x,y,z三个方向上最大压应力值最小，分别为-19.574 MPa,-19.565 MPa和 -56.569 MPa.且x,y,z三个方向上应力梯度变化最小（分别为0.169 MPa/mm,0.173 MPa/mm，0.0218×10-3 MPa/mm），而星柱型厚涂层x,y,z三个方向上应力变化梯度最大（分别为2.344 MPa/mm,14.092 MPa/mm，2.171 MPa/mm）.涂层的应力随着涂层厚度的增大而增大，且纳米结构涂层的应力低于传统结构涂层的应力.通过应力状态及应力大小的调控，将会促进YSZ涂层的铁弹性相变，进一步提高涂层的断裂韧性，从而有望进一步提高涂层的抗热震性能.     

用于热障涂层氧化测量的复阻抗谱中等效电路参数的确定

建立了热障涂层在不同氧化阶段的等效电路,确立了等效电路中各元件参数与阻抗表征值之间的关系,确定了各元件的参数值,以达到对热障涂层微观结构以及TGO(其界面氧化物称为热生成氧化物(TGO))生长过程的检测.运用EQU软件模拟发现,等效电路阻抗谱与实测阻抗谱有很好的一致性,同时等效电路中参数值的计算与模拟的结果符合得很好.     

热障涂层研究进展

介绍近年来国内外热障涂层的研究状况和发展趋势.通过对热障涂层的材料和结构体系的综述,分析了制备热障涂层的各种技术方法,论述了热障涂层的失效与破坏机理,并且对热障涂层的技术发展与应用前景作了展望.     

教练机座舱气流组织和热舒适性

对某型号教练机座舱在不同进气温度方案下的气流组织进行数值模拟,研究舱内空气湿度、人体散热率和衣服热阻等因素的影响,获取了座舱内速度场和温度场分布.通过数值模拟所得到的速度场和温度场,改进了Fanger的舒适性假设中人体表面对流散热损失的计算方法,并取得了不同工况下座舱的热舒适性指标.这可为座舱环控系统的优化设计和不同热环境条件下的运行控制提供理论依据.     

金属材料热变形量的精确测定

分析了温度升高时材料产生热膨胀的同时伴随着力变形的变化,在精确测定材料的热变形时,必须考虑这种力变形的变化.文中还提出了零件热变形系数的概念,并讨论了零件热变形系数与材料热膨胀系数的关系.     

热障涂层热循环过程中的界面扩散系数

采用磁控溅射力方法在镍基单晶高温合金基体上沉积Ni-30Cr-12Al-0．3Y(质量分数，％)粘结层，采用电束物理气相沉积方法(EB-PVD)沉积7％Y2O3(质量分数，％ZrO2)陶瓷层．对粘结层与陶瓷层界面在1050℃循环100次时的元素扩散，提出了电子探针与最小二乘法相结合的研究方法．求出元素在界面的扩散系数．继续热循环，粘结层中Al贫化．Ni和Cr参与氧化，加速氧化反应，增加氧化膜内应力，使氧化膜破裂、陶瓷层剥落，最终导致热障涂层失效。     

木材径向热导率的理论公式

根据木材的细胞结构,从导热与导电宏观规律的相似性出发,应用类比推理方法推导出木材径向热导率的理论计算公式。应用该公式计算20种木材的径向热导率,并与同条件下的实验值进行了比较。理论值的最大误差为12.4%,平均误差在5%以内。     

热针法测量材料导热系数研究

研究了可测量软性材料导热系数的热探针法,所用热探针由20匝直径为0.02mm的漆包铜丝紧密封进外径为0.3mm的不锈钢针管制成,铜丝同时起加热和测温元件作用.理论和实验研究表明,采用适当延迟测量时间可以克服因热针壁厚引起的误差.测量误差估计小于±3%.     

形状参数对零件热膨胀影响研究

简述零件形体热变形在科研及生产中的实际意义。指出现行热膨胀计算的局限性,并提出形体参数对零件热膨胀变形的影响不容忽视。通过理论及实验初步分析了形体参数热膨胀系数与热膨胀系数的关系;对零件形体因素引起的热膨胀与通常计算的热膨胀值的关系也从试验上进行了初步探讨。